[发明专利]间距与形貌可调控的金属纳米颗粒有序阵列的制备方法

说明书

 

技术领域

本发明属于纳米材料领域，尤其涉及一种间距与形貌可调控的金属纳米颗粒有序阵列的制备方法。

背景技术

当材料尺寸达到纳米量级时，将具有许多奇特的物理性质，表现出既有别于相应体材料又不同于单个分子的性质。但随着材料粒径减小，表面能增加，颗粒也越容易团聚，从而会掩盖许多优良的性质。如果将尺寸相同的纳米颗粒按一定方式规则地排列在二维平面上，形成有序的纳米颗粒二维阵列体系，则这类纳米材料的性质就可以很好地表现出来。

一般说来制备这种有序纳米颗粒二维阵列有两种途径，即颗粒的自组织排列法和刻蚀法。前者只能形成小尺度的规则排列，无法实现颗粒间隔、周期等参数的控制；而刻蚀法，原则上可以实现大尺度的规则排列，并能控制颗粒间距，但现行的标准刻蚀法，如光刻蚀，由于受衍射极限分辨率的限制，难以用于制造纳米结构；利用电子束、X射线及STM（扫描隧道显微镜）等的刻蚀法，设备复杂，成本昂贵，效率低，对于大面积制备纳米颗粒阵列体系还存在困难。

近年来，国际上出现了一种新刻蚀法来制备纳米颗粒二维有序阵列，即纳米微球刻蚀法，该方法是以纳米微球形成的纳米有序阵列为掩模，在其上沉积所需的元素，去掉掩模后就可以得到排列有序的纳米颗粒阵列。但是，对于间距与排布形貌可调控的纳米颗粒有序阵列的工业化制备，尚未形成高效低成本的通用方法。因此，如何简单、低成本、可工业化生产高质量的间距与排布形貌可调控的有序排列的纳米粒子是本领域目前研究的难点和热点。

发明内容

针对现有间距与形貌可调控的纳米颗粒阵列的制备方法不适于工业生产的问题，本发明提供了一种适于工业化生产的间距与形貌可调控的金属纳米颗粒有序阵列的制备方法，该方法简单、高效、成本低廉、且易于规模化生产。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案：

一种间距与形貌可调控的金属纳米颗粒有序阵列的制备方法，包括步骤：

步骤一，采用液面自组装法在自组装基底上制备紧密排布的纳米球层模板；

步骤二，通过刻蚀法调控纳米球层模板中纳米球的大小、间距和形貌；

步骤三，采用真空镀膜法在刻蚀后的纳米球层模板上沉积金属纳米阵列；

步骤四，去掉纳米球层模板，即得到金属纳米颗粒有序阵列。

步骤一中所述的纳米球为聚苯乙烯纳米球，其直径为460~800nm；所述的自组装基底为硅片。

步骤一具体为：

首先采用去离子水、等离子清洗处理自组装基底，然后采用液面自组装法在自组装基底上制备紧密排布的纳米球层模板；所述的等离子清洗采用等离子清洗机进行，清洗工艺为：清洗时间30 min，等离子清洗机清洗功率30 W，气体氛围为氧气，气体压强10Pa。

步骤二中采用等离子刻蚀法调控纳米球层模板中纳米球的大小、间距，通过控制刻蚀时间来调控纳米球的大小、间距和形貌，具体的刻蚀工艺为：利用等离子刻蚀机进行刻蚀，刻蚀气体氛围为氧气，气体压强10Pa，等离子清洗机刻蚀功率30 W。

步骤三中所述的金属纳米阵列为镉金纳米阵列， 所采用的真空镀膜法为热蒸发镀膜法。

步骤三的一种具体实施为：

利用真空镀膜机在2×10^-3 Pa的真空度下，以3 nm·min^-1的沉积速率，在刻蚀后的纳米球层模板表面上依次蒸镀镉薄膜、金薄膜，得到镉金纳米阵列。

步骤四中采用化学刻蚀法腐蚀纳米球层模板。当纳米球层模板为聚苯乙烯纳米球层模板，采用三氯甲烷溶液溶解掉纳米球层模板。

步骤四所获得的金属纳米颗粒有序阵列的形貌为三角形或网状结构。

 

本发明方法的基本思路是：以刻蚀后的自组装紧密排布的纳米球层为模板，采用真空镀膜法在模板上制备金属纳米颗粒有序阵列，通过选择不同直径的纳米球和控制刻蚀时间两个方面来调控纳米球层模板中纳米球的大小和间距，从而达到调控纳米颗粒有序阵列的间距和排布形貌的目的。

本发明的刻蚀是采用的等离子刻蚀法，该过程是在氧气氛围中进行，在高电压的激发下氧气被电离，产生氧等离子体氧化纳米球表面，纳米球表面发生化学反应而逐渐被腐蚀，随着刻蚀时间延长，纳米球直径逐渐变小且纳米球之间的间距变大，从而达到调控纳米球大小、间距和形貌的目的。

本发明的真空镀膜采用的是热蒸发镀膜法，在真空环境下，金属由于高温蒸发变成气态原子，沉积在刻蚀后的纳米球层模板表面，金属原子填充到纳米球之间的空隙内，形成纳米颗粒有序阵列。